核保障用探测器的现状与发展

国际原子能机构(IAEA)建立了比较完整的核保障体系并不断加以完善,以确保有能力监督原子能技术的和平利用,以及保障相关核技术不被应用于军事用途。本文对IAEA核保障体系的建立和发展进行了描述。核保障技术的应用与发展依赖于探测技术的进步,国内在核保障技术方面做了大量的研究,基于各种探测需求开发了不同探测装置,如针对γ射线、X射线、中子的辐射探测器,针对衰变产生热量的量热计,针对不同质量数进行区分的质谱仪。对IAEA核保障设备的发展趋势进行了分析,提出了一些未来可以应用的探测器或探测技术。

基于探测器响应机理的碳/碳构件CT图像环状伪影的校正方法

在碳/碳复合材料的计算机断层扫描(CT)中,由于探测器单元的响应非线性及不一致性导致重建图像出现严重的环状伪影,干扰图像中缺陷的检出,影响检测系统对被检构件的质量评价。结合碳/碳复合材料组分单一且密度均匀的特点,提出了一种基于探测器响应机理的CT图像环状伪影的校正方法,利用采集的劣化投影数据做预重建,对重建结果做阈值分割以获得被检测物体的三维模型。结合已知的材料和密度信息,对被检物体进行重投影,得到投影数据的理论值与实测值之间的映射关系,用于探测器响应校正以优化检测图像。与传统低通滤波的环状伪影校正方法相比,该方法考虑了环状伪影的物理成因并充分利用了检测对象的先验信息。研究结果表明,该校正方法在保留图像细节和纹理的同时,能够有效减少环状伪影,提升图像质量,消除伪影对于图形中缺陷识别的干扰,为提升检测系统对碳/碳复合材料构件缺陷的检出能力提供理论依据。

嵌套帕累托图及鱼骨图分析测氡仪检定中不合格项及原因

测氡仪检定合格率相对其他放射性测量仪器来说,偏低一些。为探索各类测氡仪共性的不合格项及影响因素,进而为仪器生产厂家改进和用户使用保养提供建议,最终提高测氡仪检定的合格率,本文从计量机构的优势出发,对近5年的检定数据进行统计,采用统计分析中的嵌套帕累托图,分析影响测氡仪检定合格率的主要项目,针对主要项目深入剖析,分析主要项目中的关键因素,结合上述分析结果及鱼骨图,指出造成测氡仪检定合格率低的关键因素及对策措施。从分析结果可以得出,瞬时测氡仪检定的最主要不合格项是外观和标识,其主要影响因素是土壤采样罐漏气,而连续测氡仪检定的主要不合格项是体积活度响应,主要影响因素是体积活度响应年偏离量偏大,对于测氡仪检定不合格项可从加强人员培训、技术改进及提高零部件质量3个方面进行改善。通过本次统计分析,找出测氡仪检定中不合格项的主要因素并给出合理改进建议,有助于仪器生产厂家、计量技术机构及仪器用户三方协作,从而提高测氡仪检定的合格率,对测氡仪的改进与发展起到积极促进作用。

探测器机械结构静力学分析与轻量化设计

在产品设计过程中,机械结构的静力学分析与轻量化设计对产品的整体质量有着极为重要的影响。对产品的机械结构进行静力学分析可以保证产品有较好稳定性,对产品进行轻量化设计则是提高产品的综合性能,比如在不影响强度的情况下减小产品质量,从而提高产品综合品质。基于此,本文将结合3He管探测器的设计,对其主要部件进行静力学分析,并借助静力学分析结果对探测器的密闭腔体与盖板进行轻量化设计。

CO_(2)预处理对CR-39中子个人剂量计增敏特性的研究

本文研究了CO_(2)预处理对CR-39探测器灵敏度及径迹特征形成影响。以经^(252)Cf中子源照射的CR-39探测器为研究对象,通过统计探测器记录径迹数与径迹尺寸,分析了不同CO_(2)预处理时间和压力对CR-39探测器灵敏度及径迹尺寸分布的影响规律。研究结果表明:经CO_(2)预处理后CR-39探测器灵敏度及最大径迹尺寸得到显著提高,灵敏度最大提升870%,最大径迹尺寸由20μm增大至40μm;探测器灵敏度与预处理压力时间存在特定正相关关系,灵敏度随CO_(2)压力线性增大;最大径迹尺寸在40μm附近增长达到饱和,继续提高预处理时间和压力,径迹包含的中子能谱特征不再被保留;本实验获得的CO_(2)预处理下CR-39形成径迹保留能谱特征的最佳灵敏度为6.25 tracks·mm^(-2)·mSv^(-1)。这项研究对于提高CR-39中子个人剂量计灵敏度及选择合适CO_(2)预处理条件方面具有重要意义,同时也提供了一种在提升径迹可读性时保留径迹能谱特征信息的预处理方法,可应用于基于中子能谱特征优化中子个人剂量当量评估。

放射性氙高灵敏度现场快速自动化监测系统研制

放射性氙监测是禁核试核查现场视察和核设施安全监测的重要项目之一,能够快速准确地甄别违约核活动和预警识别核设施的泄漏。本文综合运用超低温动态吸附、中空纤维膜除杂和现场低本底测量等技术,研制了一套放射性氙高灵敏度现场快速自动化监测系统,用于放射性氙现场取样、分离和测量。测试结果表明,该系统在氡浓度为20 Bq/m^(3)、采样体积为2 m^(3)、分析周期不大于120 min时,氙回收率为79.9%,对^(133) Xe的最小可探测活度浓度(MDC)小于0.26 Bq/m^(3),测量结果的不确定度小于±12%。该系统具有灵敏度高、分析周期短、全流程自动化的特点,能够应用于核设施安全监测、现场视察放射性氙监测、核应急放射性气体监测等场合。

γ能谱级联符合相加效应校正技术研究进展

使用γ谱仪近距离测量具有级联衰变关系的放射性核素时会不可避免地发生级联符合相加效应。级联符合相加效应会导致能谱中的全能峰计数变化,并产生干扰能谱分析的加和峰,从而影响γ能谱分析的准确性和效率,为此,国内外研究机构建立了多种方法和技术用于γ能谱级联符合相加效应的校正。本文在详细总结级联符合相加效应校正技术发展历程的基础上,对级联符合相加效应的产生机制、校正算法、校正软件、技术应用等进行了综述,并对不同校正算法和软件进行了比较。结合发展现状,对级联符合相加效应校正技术今后的研究方向提出了建议。

基于邦纳多球谱仪探测的中子能谱解谱研究

在中子辐射领域,中子解谱问题备受关注。邦纳多球谱仪常用于中子能谱探测,最大熵法可针对多球谱仪探测数据进行中子解谱。基于此原理,建立包含邦纳多球谱仪的仿真模型,以蒙特卡罗方法的模拟结果作为先验谱,使用基于最大熵原理的最大熵反卷积(MAXED)方法进行中子解谱,结果证明了方法的有效性和准确性。通过增加蒙特卡罗方法的随机粒子数,获得了精确度不同的多组先验谱,对于不同的先验谱,最终解谱结果均可获得统计学显著性,解谱结果有效。经过对比,先验谱越精准,最终解谱结果准确度越高,说明通过合适的降方差方法获得准确的蒙特卡罗计算结果至关重要,可为后续研究和实验提供参考。同步使用了基于迭代算法的GRAVEL方法进行中子解谱,两种解谱方法计算结果对比进一步证明了MAXED方法解谱的优越性能。

恒流源三侧向电阻率测井模块研制及应用

为进一步提高砂岩型铀矿地层电阻率参数在测井解释中的应用效果,尤其是对泥砂泥交互薄层的精细测量与识别,研究了基于OPA547放大器的恒流源三侧向电阻率测井模块,通过设计以OPA547为恒流激励源的数字激励控制电路,实现了正弦激励信号的恒流输出;设计了正弦检测信号的恒流反馈电路,实现恒流源的负反馈稳定输出;设计了交流电压检测电路,实现了交流信号的低通滤波与信号半波整流;最后,在实验室利用标准刻度器进行了研制模块的系数刻度,且在砂岩型铀矿钻孔进行了实际测井应用对比。经对比分析,研制的恒流源三侧向电阻率测井模块能够与砂岩铀矿综合测井中的其他参数组合使用,输出激励电流可调,对岩性及岩性界面具有较高的识别能力,对于交互薄层、钙质夹层等地层岩性变化的响应显示明显。

基于中子位置灵敏探测器对点源的三维定位方法研究

使用中子法对密封容器内的放射源进行定位具有重要的现实意义。本研究使用4根矩形分布的中子位置灵敏探测器对探测空间内AmLi源进行定位,首先使用蒙特卡罗方法设计了探测器的慢化屏蔽体;然后设计了延迟电路加到探测器的一端,根据探测器两端探测到中子信号的时间差来确定源y轴(探测器轴向)的位置坐标,并对每个探测器的轴向位置函数进行了刻度;利用探测器围绕密封容器搭建测量空间,使用相邻探测器探测到中子计数率的比值来确定x轴和z轴(另两个方向)的位置坐标并进行了函数刻度。测量时,首先选择计数率最大的探测器来确定源的轴向坐标,再根据与此探测器相邻两根探测器计数率的比值来确定源的另两个方向的坐标,实现了对源的定位。使用该方法测量了点源在探测器空间内的5个不同位置,每个坐标轴上的定位偏差均在1.5 cm之内,并对造成偏差的原因进行了分析。该方法验证了使用中子位置灵敏探测器对放射源进行定位的可行性,并为进一步测量核设施工艺设备内核材料的位置打下了良好的基础。

小动物PET/MRI的定量性能探索

小动物PET/MRI是结合了PET高性能分子显像功能与MRI卓越软组织对比功能的一体化显像设备,在药物的开发与评价、药理及疾病的机制研究等方面具有独特的优势和应用价值。为了验证该设备在定量分析中的可行性和准确性,本研究探索了Bruker BioSpec 94/30 USR+PET insert对^(18)F的线性检测范围、稳定性及定量性能,同时利用高分辨率MRI图像,去除胆囊、血管等测量干扰项,评估其在动物体内定量的准确性。结果显示,Bruker BioSpec 94/30 USR+PET insert小动物PET/MRI在1~1500μCi的活度范围内具有极佳的线性关系(R^(2)=0.9992),且重复性良好,同时还具有准确的体内定量性能。本研究为后续利用Bruker BioSpec 94/30 USR+PET insert开展核素示踪剂在活体内的显像、分布、代谢及药效评价等研究提供了可靠的数据支持。

便携式数字多道脉冲幅度分析器的设计

为便于野外测试,设计了一款便携式的数字多道脉冲幅度分析器。采用ARM+FPGA的设计方案,通过嵌入式Linux系统实现控制和用户交互。脉冲信号经调理电路处理后,由采样电路转为数字信号,并在FPGA中完成滤波成形等数字处理,最终由嵌入式系统处理并显示能谱图。采用银粉样品测试,全能峰处能量分辨率为2.80%,道址漂移在2个道址以内,能够满足设计要求。

集成芯片硅微条探测器电子读出系统设计

设计了基于VATA460.3专用集成芯片(ASIC)的多通道、低功耗带触发硅微条探测器读出系统,该系统实现了共32路粒子入射信息读出。测试结果表明:该系统各通道基线稳定,等效噪声水平均低于0.17 fC,动态范围可达90 fC。

多电极高纯锗探测器信号读出模拟研究

多电极高纯锗探测器因兼具良好能量分辨率及位置灵敏的特点,在探测器内事例点信息提取方面具有一定的优势。对于多电极高纯锗探测器中的脉冲波形研究对γ谱分析性能优化、稀有事例探测和其他应用场景下的信号/本底甄别均具有关键参考意义。为了模拟多电极高纯锗探测器的脉冲波形,本文通过分析探测器内部电场和权电势的分布,以及载流子轨迹和读出电极处感应电荷,从而得到多电极高纯锗探测器不同读出电极处感应波形信息。通过分析模拟波形,发现沿电极分布方向上收集电极可以感应到显著不同的感应信号,同时相邻电极可以感应到较弱的镜像信号,说明多电极高纯锗探测器在沿电极分布方向上具有一定的位置分辨能力。通过模拟分析,验证了该方法可用于为γ径迹重建甄别的相关物理机制研究提供支持,同时还能对其应用效果进行模拟评估。

GECAM卫星溴化镧晶体性能研究

GECAM卫星伽马射线探测器(GRD)设计使用3 in(1 in=25.4 mm)直径的溴化镧晶体(LaBr3晶体)作为伽马射线探测灵敏材料,后端耦合硅光电倍增管(SiPM)进行读出。对引力波最高能电磁对应体全天监测器(GECAM)卫星所用的LaBr_(3)晶体进行了本底测试,并根据晶体的掺杂类型进行了分类,使用放射源对所有晶体的性能进行了测试。为了研究LaBr_(3)晶体的辐照损伤情况,使用^(60)Co放射源对晶体进行了辐照损伤性能测试。测试结果表明,LaBr_(3)晶体的本底可分为单掺杂和双掺杂两个类型。GECAM卫星的LaBr_(3)晶体的能量分辨<18%@59.5 keV,满足设计使用要求。在1.65 kGy剂量的累积辐照后,经过较长时间的退激发,LaBr_(3)晶体试验前后662 keV的峰值变化小于15%,满足空间环境条件下(GECAM卫星在轨3年)的使用要求。

非电离室型探测器在深度剂量扫描中的应用研究

为研究非电离室型探测器在深度剂量分布扫描中的响应特性,通过采用平板电离室、半导体和宝石探测器对医用光子束和电子束深度剂量分布进行扫描,并以平板电离室作为参考,分析比较半导体和宝石探测器在最大剂量深度、射线质等参数来探究其在深度剂量上的性能。结果表明:医用光子束下除两支探测器外,其余探测器获得的射线质与参考值的最大相对偏差为-0.67%,符合TRS-398报告高能光子束允许的不确定度1.0%,电子束<10 MeV时,各能量下非电离室型探测器获得的射线质与参考值的平均相对偏差最小为1.91%,能量≥10 MeV时,平均相对偏差最大为1.01%,除两支探测器外,其余探测器的相对偏差最大为-1.15%,符合TRS-398报告高能电子束允许的不确定度1.2%。P型半导体探测器获得的射线质与参考值的相对偏差在±0.85%内,比E型半导体探测器的相对偏差范围±0.67%大。结论:非电离室型探测器在高能光子束下影响较小,电子束<10 MeV时影响较大,能量≥10 MeV时影响较小,且尽量选择E型半导体探测器,并考虑探测器外壳材质。

α粒子测量中的参数计算方法研究

放射性测量广泛应用于核技术的各个领域,测量不确定度、置信区间、探测限值等是放射性测量的重要参数,其计算结果直接影响相关决策。本研究采用偏导数方法和蒙特卡罗方法研究α粒子活度浓度测量中的重要参数。首先,对测量结果不确定度来源进行分析,再利用偏导数和蒙特卡罗方法计算α粒子活度浓度不确定度、置信区间、判定阈和探测限等。结果表明:当输入量不确定度高于10%时,两种计算方法所得置信区间与不确定度结果相对偏差大于15%;输入量相对不确定度较小时,探测限约判定阈的两倍。偏导数方法应用较广,但未考虑输入量的概率分布形式,不适用于复杂和特殊输入量的模型,此时可借助蒙特卡罗方法得到更加可靠的计算结果,这两种方法可以互补应用。

一款紧凑型磁谱仪的特性参数分析与实验刻度研究

超短脉冲激光与靶相互作用可产生高能电子以及质子、离子、X/γ射线等次级粒子和射线,这些粒子和射线在惯性约束聚变、激光核物理、实验室天体物理、生物、医学以及材料科学等领域具有广泛的应用前景。高能电子的特征参数测量对理清激光等离子体相互作用过程、优化粒子参数和拓展其应用具有重要意义。本文研究设计了一款紧凑型矩形结构磁谱仪,在永磁铁均匀场中采用前、侧、后三面IP板布局,满足了几十keV到10 MeV的电子能谱测量需求,并对磁谱仪的特征参数如能量色散、能量色散梯度、能量分辨率、斜入射效应等进行详细分析。基于北京大学DC-SRF-Ⅱ射频超导光阴极电子枪开展了磁谱仪能量刻度实验,在真空条件下实验测量了0.7~1.8 MeV区间内多个能量的电子能谱,结果显示,磁谱仪的能量测量与监测系统结果基本符合。电子能谱的能量分辨率主要决定于磁谱仪自身分辨能力,为提高能量分辨率,需通过准直系统进一步减小入射孔径和电子发散角。

氙同位素丰度参考气制备方法研究

氙同位素丰度比高精度质谱分析技术强烈依赖于氙同位素丰度参考气,参考气的准确制备是关键技术。研究分析了高纯^(128)Xe同位素气体原料中杂质同位素的丰度,采用重量法制备了丰度为80%、91%和92%的^(128)Xe同位素丰度参考气,评定了参考气制备过程引入的不确定度,并采用稀有气体同位素质谱仪对制备的参考气进行验证。结果表明,^(128)Xe同位素丰度参考气制备过程引入的扩展不确定度为0.7%(k=2),制备值与验证值的偏差小于0.2%,表明制备的^(128)Xe同位素丰度参考气量值准确可靠,该同位素丰度参考气能够满足实验室分析质量控制的要求。

用于深地核天体物理实验的无窗气体靶差分结构和热效应研究

我国锦屏深地核天体物理(JUNA)平台是世界上束流强度最高的深地实验平台,为我国争取核天体物理国际领先地位提供了重要机遇。无窗气体靶是深地低能核天体物理实验测量的关键设备,可实现特定同位素参与核反应的直接测量,能有效拓展深地实验的研究范围。国际上已有多家实验室将无窗气体靶应用于低能核反应的研究,但针对的都是较低流强的实验。为适应锦屏高功率强束流的实验需求,本工作设计可用于强流束的气体靶装置。通过Ansys Fluent和COMSOL软件模拟计算,验证了多级差分结构的可行性,并研究了靶厚的束流加热效应和量热器热效应,提出了无窗气体靶实验的设计优化方案,为后续JUNA深地实验研究的发展提供了可靠依据。